三峽工程混凝土的堿-骨料反應(yīng)試驗(yàn)研究

摘要：三峽工程大壩混凝土將利用閃云斜長(zhǎng)花崗巖碎石作粗骨料，用斑狀花崗巖制成的砂作細(xì)骨料。由于花崗巖含有應(yīng)變石英，普遍出現(xiàn)波狀消光，另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類(lèi)型的位錯(cuò)，因此其堿活性反應(yīng)具有緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，從地質(zhì)環(huán)境、巖相、物理、化學(xué)等多方面進(jìn)行了研究，采用多種方法進(jìn)行了對(duì)照檢驗(yàn)。結(jié)果表明，花崗巖的礦物組成主要是長(zhǎng)石、石英、黑云母和少量角閃石或綠泥石等，用巖相法、化學(xué)法、砂漿長(zhǎng)度法、小棒快速法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法等進(jìn)行測(cè)定屬非活性，在低堿條件下，不會(huì)導(dǎo)致危害性膨脹，但在高堿條件下，砂漿膨脹率在數(shù)年后仍繼續(xù)增長(zhǎng)，為確保工程安全，應(yīng)嚴(yán)格控制水泥含堿量。

關(guān)鍵詞：三峽工程；堿骨料反應(yīng)；花崗巖；骨料

      三峽二期工程混凝土將利用基坑開(kāi)挖的閃云斜長(zhǎng)花崗巖軋制的碎石作粗骨料，用下岸溪料場(chǎng)的斑狀花崗巖制成的砂作細(xì)骨料。由于花崗巖廣泛分布于不同時(shí)代的褶皺帶和前寒紀(jì)地盾區(qū)，多次承受強(qiáng)大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用，巖石礦物發(fā)生強(qiáng)烈范性變形，晶體發(fā)生多種位錯(cuò)，能量被貯存在點(diǎn)陣中。所以，花崗巖有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出顯著出現(xiàn)膨脹開(kāi)裂的延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的緩慢反應(yīng)型的堿活性^[1]?；炷链髩闻c建筑物一旦發(fā)生減骨料反應(yīng)破壞，修復(fù)是極其困難的，造成的經(jīng)濟(jì)損失將是巨大的。關(guān)于花崗巖的堿活性原因，有人推論與其中的應(yīng)變石英有關(guān)，如美國(guó)B. S Gogte^[2]指出：當(dāng)骨料中應(yīng)變石英含量超過(guò)20%，同時(shí)應(yīng)變石英平均波狀消光角大于15°時(shí)，這種骨料具有潛在活性。而印度A.K.Mullick^[3]建議應(yīng)變石英波狀消光角在25°以上，應(yīng)變石英含量在25%以上可視為具潛在活性。但也有人認(rèn)為兩者之間沒(méi)有直接關(guān)系。石英由于受到應(yīng)力作用，晶體產(chǎn)生缺陷，而出現(xiàn)波狀消光，P. E. Grattan-Bellew^[4]選擇三種花崗巖進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石英的波狀消光角與堿活性膨脹率近似一種線性關(guān)系，即石英波狀消光角愈大，堿活性膨脹率也愈大。三峽工程花崗巖含有應(yīng)變石英，普遍出現(xiàn)波狀消光。另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類(lèi)型的位錯(cuò)，有位錯(cuò)弓彎、位錯(cuò)網(wǎng)和位錯(cuò)纏結(jié)等，這是三峽工程花崗巖的主要活性來(lái)源。為了保證三峽工程的安全，對(duì)工程使用的花崗巖骨料，從地質(zhì)環(huán)境、巖相、物理、化學(xué)等多方面進(jìn)行了研究，采用了多種方法進(jìn)行對(duì)照檢驗(yàn)，綜合評(píng)定其堿活性。

1 堿-骨反應(yīng)及試驗(yàn)方法

1.1 堿-骨料反應(yīng)

      堿-骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction，簡(jiǎn)稱“AAR”)，是指水泥中的堿與某些活 性骨料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土的不均勻膨脹，導(dǎo)致開(kāi)裂破壞。自從1940年美國(guó)T.E.Stanton提出此問(wèn)題以來(lái)，已有不少國(guó)家出現(xiàn)AAR破壞的工程實(shí)例，如美國(guó)、法國(guó)、印度等國(guó)使用花崗巖或片麻巖骨料，出現(xiàn)了堿-骨料反應(yīng)的破壞事故。巴西的Moxot′水電站^[5]使用黑云母花崗巖作混凝土骨料，八年后出現(xiàn)了危害性的堿骨料反應(yīng)。特別是法國(guó)的Shambon壩^[6]使用片麻巖及云母片巖作混凝土骨料，出現(xiàn)了沿大壩高度總膨脹量超過(guò)了10cm，大壩上部向上游方向傾斜了15cm的混凝土堿骨料反應(yīng)破壞的工程實(shí)例。因此，堿-骨料反應(yīng)問(wèn)題逐漸引起了世界各國(guó)的重視。

　　堿-骨料反應(yīng)，通常可分為兩大類(lèi)型，即堿-硅反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction，簡(jiǎn)稱“ASR”和堿-碳酸鹽反應(yīng)(Alkali-Carbonate Reaction，簡(jiǎn)稱“ACR”。ASR是指水泥中的堿與活性SiO₂，如微晶質(zhì)、隱晶質(zhì)、玻璃質(zhì)和應(yīng)變的石英及玉髓等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿的硅酸鹽凝膠，吸水后體積膨脹，引起混凝土膨脹、開(kāi)裂。蛋白石、隧石、石英巖、砂巖、火山熔料等均含有活性SiO₂。ACR是指水泥中的堿與某些碳酸鹽骨料，如白云石發(fā)生反應(yīng)引起膨脹，使混凝土開(kāi)裂破壞。由于白云石含粘土，堿離子通過(guò)包裹在細(xì)小白云石微晶外的粘土滲入白云石顆粒，使其反應(yīng)產(chǎn)物不能通過(guò)粘土向外擴(kuò)散，而使骨料膨脹，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

　　引起堿-骨料反應(yīng)的必要條件是：水泥超過(guò)安全含堿量，存在活性骨料并超過(guò)一定的數(shù)量，要有水分，如果沒(méi)有水分，反應(yīng)就會(huì)減小或完全停止。影響堿-骨料反應(yīng)膨脹的因素很多，主要有水泥含堿量、濕度、溫度、外加劑及摻合料，混凝土或砂漿中的水泥用量，活性骨料的數(shù)量、粒徑和活性大小等。 當(dāng)混凝土處于潮濕的環(huán)境，混凝土中含堿量較高，并含有活性骨料，則有可能發(fā)生堿-骨料反應(yīng)而導(dǎo)致膨脹、開(kāi)裂。因此，必須對(duì)工程用的骨料是否含活性成分進(jìn)行鑒定，并且測(cè)定水泥含堿量，以便采取必要的抑制堿-骨料反應(yīng)的預(yù)防措施。

1.2 堿-骨料反應(yīng)試驗(yàn)方法

    對(duì)骨料堿活性的評(píng)定，至今國(guó)際上尚無(wú)一個(gè)一致認(rèn)可的普遍方法。巖相法對(duì)選擇合適的檢測(cè)方法有重要指導(dǎo)作用，一直是作為骨料堿活性鑒定的首選方法，它是通過(guò)顯微鏡觀察來(lái)鑒定骨料的種類(lèi)和成分，特別是那些已知活性礦物存在與否的骨料，以此來(lái)判斷其是否存在堿活性，但其缺點(diǎn)是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系，并且，此方法需要有相當(dāng)熟練的技術(shù)。化學(xué)法是和砂漿長(zhǎng)度法配合使用的，是國(guó)際上公認(rèn)的傳統(tǒng)方法，但它的缺點(diǎn)是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導(dǎo)致的慢膨脹骨料，另一個(gè)缺點(diǎn)是存在非SiO₂物質(zhì)如碳酸鹽、石膏、粘土等的干擾，這些干擾常常造成根本性的錯(cuò)誤。砂漿長(zhǎng)度法是與ASTM C227類(lèi)同的比較經(jīng)典的方法，但它的缺點(diǎn)是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對(duì)慢膨脹骨料則不適用。砂漿棒快速法是于1994年同時(shí)被美國(guó)和加拿大定為標(biāo)準(zhǔn)的方法(ASTM 1260和CSA A23·2-14A)，研究結(jié)果與工程記錄的對(duì)比表明，該方法對(duì)硅質(zhì)骨料，尤其是慢膨脹骨料與工程使用記錄具有很好的一致性，被認(rèn)為是比較精確可靠的，但它的問(wèn)題是過(guò)于嚴(yán)格，某些工程被證明是無(wú)害的骨料可能被判為有害；混凝土棱柱體法受水泥細(xì)度、水灰比和養(yǎng)護(hù)條件(溫度、濕度)及配合比等的影響較大，而且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。

     三峽工程基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長(zhǎng)石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。三峽壩基及下岸溪料場(chǎng)花崗巖，地層為上元古界前震旦系，距今8億年，地層相對(duì)穩(wěn)定，但造山運(yùn)動(dòng)對(duì)本地區(qū)花崗巖仍有輕微影響，主要表現(xiàn)是石英受到應(yīng)力作用，普遍出現(xiàn)波狀消光，但波狀消光角都不大，平均都在4.4°以下，最大為10°。另外在應(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類(lèi)型的位錯(cuò)，有位錯(cuò)弓彎、位錯(cuò)網(wǎng)和位錯(cuò)纏結(jié)等。石英的粒度在0.3～2mm，屬于細(xì)料，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)微粒石英。對(duì)兩個(gè)料場(chǎng)的花崗巖中的主要巖石礦物進(jìn)行了電子探針單礦物分析，斜長(zhǎng)石在二長(zhǎng)花崗巖中，斜長(zhǎng)石酸度較高，在端元組分上Ab變化在96.04～97.70之間，其種屬全為鈉長(zhǎng)石?；◢忛W長(zhǎng)巖中，斜長(zhǎng)石酸度較低，其端元組分Ab變化于79.37～81.25之間，其種屬全為更長(zhǎng)石。閃云斜長(zhǎng)花崗巖其種屬為中長(zhǎng)石。鉀長(zhǎng)石主要是微斜長(zhǎng)石，僅大斑晶是微斜條紋長(zhǎng)石。

2.2 巖石的化學(xué)全分析

     對(duì)所取巖石按《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T176-1996)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行了測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石的主要化學(xué)成分為SiO₂和Al₂O₃，還有少量Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO等，其中K₂O的含量在0.54%～2.89%之間，平均為1.54%，Na₂O的含量在1.40%～7.73%之間，平均為4.91%，二者的當(dāng)量含堿量(Na₂Oe)總含量在2.47%～8.20%，平均為5.92%。

2.3 巖石的化學(xué)法測(cè)定

       按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SD105-82)方法進(jìn)行?；钚怨橇系脑u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)Rc>70，而Sc>Rc或Rc>70而Sc>35+Rc/2中的任何一種情況，該試樣應(yīng)評(píng)為具有潛在有害反應(yīng)的活性骨料。所采巖石樣品的化學(xué)法測(cè)定結(jié)果列于表1。從表1可以看出，所有樣品用“化學(xué)法”測(cè)定均為非活性骨料。

表1 巖石的化學(xué)法測(cè)定

巖樣編號(hào)	料場(chǎng)	巖石名稱	堿度降低值Rc(mmol/L)	可溶性二氧化硅Sc(mmol/L)	結(jié)果評(píng)定
96-52	基坑	黑云斜長(zhǎng)片麻巖	223.1	15.4	非活性
96-61	基坑	閃云斜長(zhǎng)花崗巖	58.3	13.73	非活性
96-66	基坑	斜閃煌斑巖	135.9	18.31	非活性
96-67	基坑	碎裂化斜長(zhǎng)花崗巖	99	9.98	非活性
96-71	下岸溪	斜長(zhǎng)花崗巖	108.72	21.64	非活性
96-72	下岸溪	綠泥石化輝綠巖	178.94	27.47	非活性
96-73	下岸溪	石英砂巖	202.5	106.34	非活性
96-75	下岸溪	斑狀二長(zhǎng)花崗巖	114.75	90.73	非活性
96-80	下岸溪	花崗巖閃長(zhǎng)巖	54	37.66	非活性
96-88	下岸溪	綠泥石化輝錄巖	90	14.57	非活性

 

       按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SD105-82)方法進(jìn)行。試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)是半年膨脹率如超過(guò)0.1%，則骨料具有潛在活性。試驗(yàn)采用525中熱硅酸鹽水泥，除水泥本身含堿量(0.54%)外，還外加堿使當(dāng)量含堿量分別達(dá)到0.8%、1.2%進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，試件的膨脹率與水泥的當(dāng)量含堿量及齡期有關(guān)。水泥當(dāng)量含堿量越大，試件的膨脹率越大，試件的膨脹率隨齡期的增加而增大。所有樣品180d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿長(zhǎng)度法”檢測(cè)評(píng)定屬非活性骨料。

表2 砂漿長(zhǎng)度法試驗(yàn)結(jié)果

巖樣編號(hào)	巖石名稱	當(dāng)量含堿量(%)	試件膨脹率(%)
			30d	60d	90d	180d
96-52 96-61 96-66 96-71 96-72 96-73 96-75 96-87	黑云斜長(zhǎng)片麻巖 閃云斜長(zhǎng)花崗巖 斜閃煌斑巖 斜長(zhǎng)花崗巖 綠泥石化輝綠巖 石英砂巖 斑狀二長(zhǎng)花崗巖 綠泥石化輝綠巖	0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20	0.006 0.007 0.013 0.002 0.005 0.016 0.002 0.008 0.011 0.013 0.014 0.017 0.008 0.008 0.012 0.004 0.005 0.012 0.005 0.005 0.008 0.001 0.001 0.004	0.006 0.007 0.015 0.002 0.006 0.021 0.004 0.011 0.016 0.019 0.019 0.022 0.009 0.009 0.014 0.005 0.005 0.013 0.007 0.007 0.011 0.005 0.055 0.009	0.007 0.009 0.016 0.005 0.012 0.023 0.005 0.013 0.018 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.008 0.008 0.019 0.007 0.007 0.012 0.005 0.005 0.009	0.007 0.009 0.018 0.005 0.012 0.026 0.005 0.015 0.020 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.010 0.013 0.034 0.011 0.012 0.017 0.005 0.006 0.012

 

圖1 閃云斜長(zhǎng)花崗巖砂漿長(zhǎng)度法試件的膨脹率與齡期關(guān)系曲線

　　曾對(duì)三峽壩基的閃云斜長(zhǎng)花崗巖進(jìn)行過(guò)砂漿長(zhǎng)度法長(zhǎng)齡期的觀測(cè)，試驗(yàn)用水泥為葛洲壩600號(hào)大壩水泥(現(xiàn)525中熱硅酸鹽水泥)，水泥的含堿量為0.78%，除水泥本身含堿量外，還外加堿使當(dāng)量含堿量分別達(dá)到0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、2.0%進(jìn)行試驗(yàn)。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，閃云斜長(zhǎng)花崗巖砂漿試件的膨脹率有隨齡期的增加而增長(zhǎng)的趨勢(shì)，至13年齡期時(shí)達(dá)到最大值，之后，呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，反應(yīng)似乎表現(xiàn)出撏Ｖ蛿?shù)默F(xiàn)象。膨脹率還與水泥的當(dāng)量含堿量有關(guān)，膨脹率隨水泥當(dāng)量含堿量的增加而增大。當(dāng)水泥當(dāng)量含堿量達(dá)到1%時(shí)，砂漿試件14年齡期的膨脹率仍然小于0.1%的危害值。

       按中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CECS48:93的方法進(jìn)行。試件結(jié)果評(píng)定：在3個(gè)配比中，用膨脹率最大的一組來(lái)評(píng)定骨料的堿活性，如膨脹率大于或等于0.1%，則評(píng)定為活性骨料，小于0.1%則為非活性骨料。這種方法僅適用于評(píng)定硅質(zhì)骨料的堿活性。骨料的小棒快速法試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件的最大膨脹率為0.066%，小于0.1%，說(shuō)明用該方法評(píng)定屬非活性骨料。
 
2.6 砂漿棒快速法

       本試驗(yàn)按美國(guó)ASTM C1260-94方法進(jìn)行。試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：14d齡期的砂漿膨脹率小于0.1%，則骨料是無(wú)害的，膨脹率大于0.2%，則表明骨料具有潛在堿活性，膨脹率在0.1%和0.2%之間需進(jìn)行其他必要的輔助試驗(yàn)，也可將度件延至28d觀測(cè)來(lái)作最后定論。兩個(gè)料場(chǎng)巖石砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，所有樣品14d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿棒快速法”檢測(cè)評(píng)定屬非活性骨料。

  表4 砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果

巖樣編號(hào)	巖石名稱	試件膨脹率(%)	評(píng)定結(jié)果
96-52	黑云斜長(zhǎng)片麻巖	0.037	非活性
96-61	閃云斜長(zhǎng)花崗巖	0.030	非活性
96-66	斜閃煌斑巖	0.041	非活性
96-67	碎裂化斜長(zhǎng)花崗巖	0.064	非活性
96-68	碎裂花崗巖	0.060	非活性
96-71	斜長(zhǎng)花崗巖	0.034	非活性
96-72	綠泥石化輝綠巖	0.036	非活性
96-73	石英砂巖	0.039	非活性
96-74	綠泥石化輝綠巖	0.039	非活性
96-75	斑狀二長(zhǎng)花崗巖	0.030	非活性
96-80	花崗閃長(zhǎng)巖	0.056	非活性
96-87	綠泥石化輝綠巖	0.066	非活性

 

      常用的混凝土棱柱體法是加拿大方法，即CSA A23·2-14A方法。這一方法規(guī)定所用水泥的含堿量為1.0%±0.2%，并通過(guò)外加NaOH的方法，使水泥當(dāng)量含堿量達(dá)到1.25%。以試件一年齡期的膨脹率作為判斷骨料堿活性的依據(jù)，當(dāng)試件一年齡期的膨脹率等于或超過(guò)0.40%時(shí)，則骨料判定為潛在有害活性。膨脹率小于0.04%，則判定為非活性骨料。粗細(xì)骨料使用同一種巖石的混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果列于表5。從表5可以看出，巖石的混凝土試驗(yàn)364d齡期的膨脹率均小于0.04%，表明用“混凝土棱柱體法”檢測(cè)評(píng)定屬非活性骨料。

 

巖樣編號(hào)	巖石名稱	試件膨脹率(%)
		14d	28d	91d	182d	364d
96-130	黑云斜長(zhǎng)片麻巖	-0.0004	0.0011	0.0061	0.0117	0.0175
96-131	閃云斜長(zhǎng)花崗巖	-0.0073	-0.0029	0.0018	0.0062	0.0081
96-132	碎裂化斜長(zhǎng)花崗巖	-0.0015	0.0040	0.0040	0.0061	0.0043
96-134	綠泥石化輝綠巖	0.0008	0.0052	0.0069	0.0084	0.0061
96-135	斑狀二長(zhǎng)花崗巖	-0.0017	-0.0005	0.0040	0.0052	0.0033
96-138	花崗斜長(zhǎng)巖	-0.0021	-0.0010	0.0028	0.0065	0.0084

3 結(jié)語(yǔ)

　　三峽基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長(zhǎng)石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗巖狀結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造，波狀消光角小，沒(méi)有微晶石英。用巖相法、化學(xué)法、砂漿長(zhǎng)度法、小棒快速法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法等各種方法檢驗(yàn)，基坑閃云斜長(zhǎng)花崗巖、下岸溪斑狀花崗巖屬非活性巖石。由于堿骨料反應(yīng)的復(fù)雜性，目前國(guó)際上還沒(méi)有一個(gè)一致認(rèn)可的方法，從混凝土的耐久性和工程安全的角度考慮，應(yīng)嚴(yán)格控制工程所用水泥的含堿量。

　

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 劉崇熙，方梓蕓，汪在芹，李珍.混凝土骨料性能和制造工藝[M].廣州：化南理工大學(xué)出版社，1999年8月.

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